CN109877311B - 一种mim注射成型高端刀具、金属粉末及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种MIM注射成型高端刀具、金属粉末及其制备方法，原材料元素质量百分比为：12.0‑16.0Cr，2.0‑4.0Mo，1.0‑4.0W，1.0‑3.0V，1.0‑1.5Cu，0.5‑1.0Sn，0.5‑0.7Si，0.5‑1.5C，72.0‑81.5Fe。采用水气联合雾化制粉方式制备，该方法包括合金元素中频感应熔炼、水气联合雾化、真空干燥、粉体分级及筛分、合批处理等工艺过程。所制备合金粉末具有合金成分、组织结构均匀，粉末粒度细且分布合理，球形度好，杂质含量低等优点，可作为MIM注射成型高端刀具的原材料得到广泛应用。

Description

一种MIM注射成型高端刀具、金属粉末及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属粉末材料制备技术领域，具体是指一种MIM注射成型高端刀具、金属粉末及其制备方法。

背景技术

随着社会科技的不断进步与刀具行业的蓬勃发展，市场对刀具钢提出了优良的切削性和耐磨性要求，要求刀具钢具有高硬度、高耐磨性，以及一定的韧性和塑性的特点。

传统刀具钢以碳素工具钢为主，虽然其成本较低且加工性能好，但存在淬透性低，淬火变形开裂倾向大的缺点。此外，传统铸造刀具钢中含有粗大的共晶碳化物，必须经过反复的锻造、轧制等工艺将其破碎，从而使其尽可能的变成分布均匀、粒径细小碳化物颗粒。而锻造或者轧制未达到最优效果时，合金钢中将仍存在粗的网状碳化物和密集的带状碳化物，这种碳化物形貌及其分布不均匀性对刀具钢的质量和使用寿命有着极大的影响。

鉴于此，本案发明人对上述问题进行深入研究，并提出一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末及其制备方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末，满足市场对刀具钢提出了优良的切削性和耐磨性要求。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末，其原材料元素质量百分比为：12.0-16.0Cr，2.0-4.0Mo，1.0-4.0W，1.0-3.0V，1.0-1.5Cu，0.5-1.0Sn，0.5-0.7Si，0.5-1.5C，72.0-81.5Fe。

本发明的再一目的在于提供一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末的制备方法，通过以下步骤制备：

1)中频感应熔炼：按以下合金成分质量百分比进行配料：12.0-16.0Cr，2.0-4.0Mo，1.0-4.0W，1.0-3.0V，1.0-1.5Cu，0.5-1.0Sn，0.5-0.7Si，0.5-1.5C，72.0-81.5Fe；将原材料按纯铁、纯铜、铬铁、钼铁、钒铁、钨铁、高纯硅、生铁和锡的顺序依次投料，在中频感应炉内大气冶炼，待钢液温度达到1650℃-1700℃，进行合金化处理；

2)水气联合雾化：采用氮气作为过程保护气氛，雾化过程采用40°/30°主副喷双V型喷嘴；钢液中间包底部漏眼尺寸为3.0-5.0mm，雾化水压力为120-150MPa，水流量为140-180L/min；

3)干燥及筛分处理：采用真空干燥合金粉末，之后进行粉体分级及筛分处理。

所述步骤1)中，在中频感应炉内大气冶炼，控制冶炼功率为100-500KW，冶炼时长为50.0-55.0分钟。

所述步骤1)中，进行合金化处理，合金化时间10.0-20.0分钟。

所述步骤1)中，合金化处理完成后，还采用硅钙、石灰对钢液进行造渣脱氧，并扒渣干净，起泵浇钢。

所述步骤2)中，氮气流量为20.0-25.0m3/h。

所述步骤3)中，真空干燥采用双锥真空干燥机干燥合金粉末，干燥温度为120-180℃，真空度≤-0.09MPa。

所述步骤3)中，粉体分级及筛分处理为：采用气流分级控制粉末粒度及分布，控粉末激光粒度D90为18-20μm。

所述步骤3)中，所制备得的合金粉末激光粒度D90：18-20μm，粉末氧含量≤0.2wt％，粉末振实密度≥4.8g/cm³。

采用上述制备方法，得到一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末。

本发明另一目的在于提供一种MIM注射成型高端刀具，采用上述制备得的金属粉末通过MIM注射成型制得，所得高端刀具其硬度达到59-64HRC，致密度≥98％。

采用上述方案后，本发明相对于现有技术的有益效果在于：

1)设计特殊的原材料配方，具体由12.0-16.0Cr，2.0-4.0Mo，1.0-4.0W，1.0-3.0V，1.0-1.5Cu，0.5-1.0Sn，0.5-0.7Si，0.5-1.5C，72.0-81.5Fe构成，配合水气联合雾化制粉方法，制备得专门适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末；采用该合金粉末制备高端刀具，其硬度达到59-64HRC，致密度≥98％。

2)通过水气联合雾化制粉，高温熔融钢液被平行超音速气流预分散成细小金属熔滴，继而被超高压雾化水破碎，冷却凝固为合金粉末；再配合后期真空干燥，粉体分级及筛分等工序，可制备球形度优、氧含量低、粒度超细的合金粉末；具体制得粉末激光粒度为D90：18-20μm，氧含量≤0.2wt％，振实密度≥4.8g/cm3。

3、本案通过优化合金成分，并结合水气联合雾化方法制备此合金粉末，具有杂质含量微少、合金成分准确均匀、组织结构细腻等优点。

附图说明

图1为本发明中实施例1所制备金属粉末SEM形貌。

图2为本发明中对比例1中制备金属粉末SEM形貌。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本案作进一步详细的说明。

本案涉及一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末的制备方法，通过以下步骤制备：

1)中频感应熔炼：按以下合金成分质量百分比进行配料：12.0-16.0Cr，2.0-4.0Mo，1.0-4.0W，1.0-3.0V，1.0-1.5Cu，0.5-1.0Sn，0.5-0.7Si，0.5-1.5C，72.0-81.5Fe；将原材料按纯铁、纯铜、铬铁、钼铁、钒铁、钨铁、高纯硅、生铁和锡的顺序依次投料，在中频感应炉内大气冶炼，待钢液温度达到1650℃-1700℃，进行合金化处理；

所述在中频感应炉内大气冶炼，优选地，控制冶炼功率为100-500KW，冶炼时长为50.0-55.0分钟。进行合金化处理的时间较佳的控制在10.0-20.0分钟。再有，合金化处理完成后，还可采用硅钙、石灰对钢液进行造渣脱氧，并扒渣干净，起泵浇钢。

所述原材料投料按不同元素烧损比例，氧化程度不一样而顺序投入，原材料包括纯铁、纯铜、铬铁、钼铁、钒铁、钨铁、高纯硅、生铁和锡几种，该原材料的各元素质量百分占比即为上面所述。

2)水气联合雾化：采用氮气作为过程保护气氛，雾化过程采用40°/30°主副喷双V型喷嘴；钢液中间包底部漏眼尺寸为3.0-5.0mm，雾化水压力为120-150MPa，水流量为140-180L/min；

所述氮气保护气氛，其氮气流量较佳地控制在20.0-25.0m3/h。

所述40°/30°主副喷双V型喷嘴，即指雾化过程采用40°/30°主副喷喷盘，并采用双V型喷嘴；

3)干燥及筛分处理：采用真空干燥合金粉末，之后进行粉体分级及筛分处理。

所述真空干燥，具体可以采用双锥真空干燥机干燥合金粉末，参数设计有，干燥温度为120-180℃，真空度≤-0.09MPa。

所述粉体分级及筛分处理，一优选实施方式为，采用气流分级控制粉末粒度及分布，控粉末激光粒度D90为18-20μm。

由此，步骤3)后，所制备得的合金粉末，其激光粒度D90：18-20μm，粉末氧含量≤0.2wt％，粉末振实密度≥4.8g/cm³。既得到一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末。应用该金属合金粉末通过MIM注射成型制得，能够制得一种MIM注射成型高端刀具，其硬度达到59-64HRC，致密度≥98％。

步骤3)后还可进行最后合批处理。

本案的主要创新点在于，通过优化合金成分、并结合水气联合雾化制粉的方式制备了一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末。其中，为了弥补碳素工具钢的不足而加入特定比例配方的合金元素，铬、硅、钨、钼、钒元素，用来制备得高性能刀具钢。该特定比例配方的合金元素的加入提高了钢的淬透性，减少了钢在淬火过程中的变形和开裂。此外，这些合金元素与碳反应生成弥散细小合金碳化物，合金渗碳体均匀分布且易于球化；而细小碳化物也可阻碍奥氏体晶粒长大，进一步改善了合金钢的韧性。

粉末冶金刀具钢中，平衡态下存在铁素体和各类型合金碳化物。其中，合金碳化物以M6C，M23C6以及MC三种类型为主。M6C型碳化物主要以W或Mo为主含Fe的碳化物，如Fe2W4C或Fe2Mo4C等，主要以颗粒状碳化物存在，淬火加热时大量未溶M6C阻碍奥氏体晶粒长大，可改善钢的韧性。M23C6型碳化物是以Cr、W、Mo元素为主，并溶有Fe等元素，如(Fe、Cr、W、Mo、V)23C6，可改善钢的淬透性。而MC型碳化物是以V为主，并少量溶解W、Cr、Mo等元素的碳化物类型，其硬度高，提高了钢的耐磨性。

在不锈钢中添加1.0-1.5wt％Cu和0.5-1.0wt％Sn，在Cu和Sn相互协同作用下，容易使得刀具钢于大气气氛中达到自钝化状态，降低了刀具钢的腐蚀速度，从而改善刀具防锈性能，而少量低熔点Cu、Sn元素的加入对于提高刀具烧结致密度具有积极的作用。

采用水气联合雾化制备粉末刃具钢，由于粉末颗粒细小，制取时冷凝速度快，因此粉末颗粒具有合金成分、组织结构均匀，杂质含量少等特点，消除了钢材中合金元素的偏析，细化了共晶碳化物，使得合金钢的强度、硬度和切削性能得到显著提高。

本发明中，水气联合雾化机理为：在氮气气氛保护下，高温熔融金属液被平行的超音速气流(拉瓦尔石墨杯)预分散成细小金属熔滴，继而被超高压雾化水破碎，最终冷却凝固为合金粉末。即本发明中预分散钢液之超音速气体并非以某种特定角度冲击、破碎高温熔融钢液，而是平行于金属液流，其过程机理类似于气雾化中层流雾化之效果。

本发明中，高温熔融金属液被平行超音速气流预分散成细小金属熔滴后，其比表面积增大，表面能增加，极大的增强了金属熔滴的球化能力，粉末球形度好；且由于高温熔融金属液被超音速气流预先分散，结合后续大角度主副喷双V型喷嘴的水雾化工艺，所制备粉末粒度更为细小，氧含量更低。

就MIM注射成型工艺而言，其所使用粉末的化学成分、粒径、粉末形貌及氧、碳含量等参数至关重要。粉末化学组成决定了MIM制件力学性能。粉末颗粒细且粒度分布合理，则制件烧结致密度高；粉末球形度好，颗粒分散少团聚，则粉末松装、振实密度高，制备MIM喂料装载量大且流动性好，烧结件尺寸精度高；粉末氧含量越高，则包覆在颗粒表面处的氧化膜将阻碍颗粒间原子扩散，从而影响烧结，由此通过尽量降低不锈钢粉末中的氧含量，来提高MIM不锈钢制件的烧结密度，本案采用上述制备方法所制备得的适用于MIM注射成型高端刀具用的合金粉末，能够做到氧含量(≤0.2wt％)足够低，确保MIM注射成型高端刀具的烧结性能。

实施例1

一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末的制备方法，通过以下步骤制备：

(1)中频感应熔炼：将纯铁、纯铜、铬铁、钼铁、钒铁、钨铁、高纯硅、生铁和锡的顺序，依次投料、中频感应炉内大气冶炼，本实施例中合金各成分配比为：

75.8wt％Fe-15wt％Cr-2.5wt％Mo-2.0wt％W-1.0wt％V-1.5wt％Cu-0.5wt％Sn-0.7wt％Si-1.0wt％C；上述成分均为质量百分比；在熔炼过程中，控制冶炼功率为100-500KW，冶炼时长为50.0-55.0分钟，待钢液温度达到1650℃-1700℃，进行合金化处理，合金化时间15分钟，之后降低功率为100-150KW，采用硅钙、石灰对钢液进行造渣脱氧，并扒渣干净，起泵浇钢；

(2)水气联合雾化：采用氮气作为过程保护气氛，氮气流量为20.0m3/h；采用40°/30°主副喷喷盘，双V型喷嘴；钢液中间包底部漏眼尺寸为4.0mm，雾化水压力为120MPa，水流量为140L/min；

(3)真空干燥：采用双锥真空干燥机干燥合金粉末，干燥温度为170℃，真空度≤-0.09MPa；

(4)粉体分级及筛分：采用气流分级控制粉末粒度及分布，控粉末激光粒度D90：18-20μm；

(5)合批处理。

实施例2

本实施例2与实施例1的区别在于：本实施例2中制备的一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末成分进行调整，所制备合金粉末合金成分组成为：

74.1wt％Fe-16wt％Cr-2.5wt％Mo-2.0wt％W-1.5wt％V-1.5wt％Cu-0.5wt％Sn-0.7wt％Si-1.2wt％C，上述成分均为质量百分比。

实施例3

本实施例3与实施例1的区别在于：本实施例3中制备的一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末成分进行调整，所制备合金粉末合金成分组成为：

72.4wt％Fe-15wt％Cr-4.0wt％Mo-2.0wt％W-2.0wt％V-1.5wt％Cu-1.0wt％Sn-0.7wt％Si-1.4wt％C，上述成分均为质量百分比。

实施例4

本实施例4与实施例1的区别在于：本实施例4中调整制备一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末的水气联合雾化工艺。具体雾化工艺为：采用氮气作为过程保护气氛，氮气流量为20.0m3/h；采用40°/30°主副喷喷盘，双V型喷嘴；钢液中间包底部漏眼尺寸为4.5mm，雾化水压力为130MPa，水流量为160L/min。

实施例5

本实施例5与实施例1的区别在于：本实施例5中调整制备一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末的水气联合雾化工艺。具体雾化工艺为：采用氮气作为过程保护气氛，氮气流量为20.0m3/h；采用40°/30°主副喷喷盘，双V型喷嘴；钢液中间包底部漏眼尺寸为5.0mm，雾化水压力为140MPa，水流量为180L/min。

对比例1

本对比例1与实施例1的区别在于：本对比例1中采用常规水雾化制粉工艺制备金属粉末，合金成分为：

Fe-15wt％Cr-2.5wt％Mo-2.0wt％W-1.0wt％V-1.5wt％Cu-0.5wt％Sn-0.7wt％Si-1.0wt％C，将上述合金成分，按纯铁、纯铜、铬铁、钼铁、钒铁、钨铁、高纯硅、生铁和锡的顺序，依次投料、中频感应熔炼、常规水雾化、真空干燥、粉体分级及筛分、合批处理等工艺，制成颗粒状合金粉末，对比水气联合雾化与常规水雾化对粉末性能的影响。

实施例1和对比例1所制备金属粉末SEM形貌分别参见图1和图2所示。

对比例2

本对比例2与实施例1的区别在于：本对比例2中制备的一种刀具用金属粉末，合金成分中不含铜、锡低熔点金属，对比铜、锡元素对本发明中高端刀具硬度、致密度的影响。本对比例7中合金成分设计为：Fe-15wt％Cr-2.5wt％Mo-2.0wt％W-1.0wt％V-0.7wt％Si-1.0wt％C。

对比例3

本对比例3与实施例1的区别在于：本对比例3中制备的一种刀具用金属粉末，合金成分中不含钼、钨、钒，即减少钢中可控制碳化物沉淀析出相形貌、大小及其分布的合金元素；本对比例8中合金成分设计为：Fe-15wt％Cr-1.5wt％Cu-0.5wt％Sn-0.7wt％Si-1.0wt％C。

本发明实施例1-5，对比例1-3所制备的合金粉末及高端刀具性能表征，见下表1：

表1

由表1可知，本发明实施例1-5均可制备一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末。采用水气联合雾化制备此合金粉末氧含量低、振实密度高，采用此粉末制备MIM喂料装载量大且流动性好，烧结件尺寸精度高；而钨、钼、钒等元素加入提高了钢的淬透性，这些合金元素与碳反应生可成弥散细小合金碳化物，合金渗碳体均匀分布且易于球化；而细小碳化物也可阻碍奥氏体晶粒长大，进一步改善了合金钢的韧性。此外，在Cu和Sn低熔点元素相互协同作用下，可改善刀具防锈性能，而少量低熔点Cu、Sn元素的加入对于提高刀具烧结致密度起到了积极的作用。

本实施例中的应用均可达到上述实施例中的各项指标。

上述实施例和附图并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末，其特征在于：其原材料元素质量百分比为：12.0-16.0Cr，2.0-4.0Mo，1.0-4.0W，1.0-3.0V，1.0-1.5Cu，0.5-1.0Sn，0.5-0.7Si，0.5-1.5C，72.0-81.5Fe。

2.一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末的制备方法，其特征在于，通过以下步骤制备：

1)中频感应熔炼：按以下合金成分质量百分比进行配料：12.0-16.0Cr，2.0-4.0Mo，1.0-4.0W，1.0-3.0V，1.0-1.5Cu，0.5-1.0Sn，0.5-0.7Si，0.5-1.5C，72.0-81.5Fe；将原材料按纯铁、纯铜、铬铁、钼铁、钒铁、钨铁、高纯硅、生铁和锡的顺序依次投料，在中频感应炉内大气冶炼，待钢液温度达到1650℃-1700℃，进行合金化处理；

2)水气联合雾化：采用氮气作为过程保护气氛，雾化过程采用40°/30°主副喷双V型喷嘴；钢液中间包底部漏眼尺寸为3.0-5.0mm，雾化水压力为120-150MPa，水流量为140-180L/min；在氮气气氛保护下，高温熔融金属液被平行的超音速气流预分散成细小金属熔滴，继而被超高压雾化水破碎；

3)干燥及筛分处理：采用真空干燥合金粉末，之后进行粉体分级及筛分处理。

3.如权利要求2所述的一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，在中频感应炉内大气冶炼，控制冶炼功率为100-500KW，冶炼时长为50.0-55.0分钟。

4.如权利要求2所述的一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，进行合金化处理，合金化时间10.0-20.0分钟。

5.如权利要求2所述的一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，合金化处理完成后，还采用硅钙、石灰对钢液进行造渣脱氧，并扒渣干净，起泵浇钢。

6.如权利要求2所述的一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，氮气流量为20.0-25.0m3/h。

7.如权利要求2所述的一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，真空干燥采用双锥真空干燥机干燥合金粉末，干燥温度为120-180℃，真空度≤-0.09MPa。

8.如权利要求2所述的一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，粉体分级及筛分处理为：采用气流分级控制粉末粒度及分布，控粉末激光粒度D90为18-20μm。

9.如权利要求2所述的一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，所制备得的合金粉末激光粒度D90：18-20μm，粉末氧含量≤0.2wt％，粉末振实密度≥4.8g/cm³。

10.一种MIM注射成型高端刀具，采用上述权利要求2-9任一项所述的一种适用于MIM注射成型高端刀具用金属粉末的制备方法，制备得的金属粉末通过MIM注射成型制得，所得高端刀具其硬度达到59-64HRC，致密度≥98％。

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